گاز کربن دی اکسید در لیزر
گازهایی که در ساخت لیزر مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از آرگون (Ar)، اکسیژن (O2)، دی اکسید کربن (CO2)، نیتروژن (N2) یا هیدروژن (H2). علاوه بر گازی‌های خالص از گازهای میکس مثل آرگون و هلیوم، آرگون و اکسیژن یا آرگون و هیدروژن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
یکی از پرکاربردترین انواع لیزر در دستگاه‌های برش لیزر برای پردازش فلز، لیزرگاز CO2 است. میکس مورد استفاده در لیزر گاز co2 عبارتند از کربن دی اکسید، نیتروژن و هلیوم.
لیزر دی اکسید کربن چیست؟
لیزر دی اکسید کربن دستگاهی است که از دی اکسید کربن (co2 )، نیتروژن (N2)، هلیوم (He) استفاده می‌کند. همچنین مقداری از هیدروژن (H2)، بخار آب، اکسیژن ویا زنون (Xe) برای بهبود کارایی لیزر و انتشار تشعشعات تحریک شده استفاده می‌کند. لیزر به صورت الکتریکی از طریق تخلیه گاز الکتریکی پمپ می‌شود.
بسیاری از مردم معتقدند با پرتو لیزر می‌توان چیزهای مختلفی را برش داد. لیزر CO2 از گروه لیزرهای گازی است و با مخلوطی از دی اکسید کربن (co2)، هلیوم (He) و نیتروژن (N2 )کار می‌کند. این مخلوط به عنوان یک محیط لیزر فعال عمل می‌کند. مولکول‌های دی اکسید کربن پس از تحریک توسط الکترودها، تابش لیزر را ارسال می‌کنند. در صنعت یک لیزر دی اکسید کربن در کنار یک لیزر فایبر یکی از مهم‌ترین دستگاه‌های لیزر را به وجود می‌آورند . لیزرهای CO2 تحریک الکتریکی هستند و در محدوده مادون قرمز دور با طول موج‌های حدود 10600 نانومتر کار می‌کنند. توان خروجی آن می‌تواند تا 80 کیلووات باشد. لیزرهای CO2 ویژه می‌توانند انرژی پالسی تا 100 کیلو ژول را تحویل دهند. حوزه‌های مختلف کاربرد لیزر دی اکسید کربن در زمین‌های متعددی از صنعت وجود دارد.
لیزر CO2 چگونه کار می‌کند؟
در مخلوط گازی که دی اکسید کربن (CO2)، نیتروژن (N2) و هلیوم (He) که به عنوان یک محیط فعال عمل می‌کند، امواج الکترومغناطیسی در ناحیه مگاهرتز پخش می‌شود. مولکول‌های دی اکسید کربن تحریک می‌شوند و به سطح بالایی از انرژی می‌رسند. انرژی در این مولکول‌ها به صورت ارتعاش یا چرخش ذخیره می‌شود. لیزر دی اکسید کربن که به طور مداوم ساطع می‌کند را می‌توان با ولتاژ بالا تا 20000 ولت تخلیه و تابش حاصل را تحریک کرد. تحریک مولکول‌ها با ولتاژ DC بالا یا ولتاژ تغییر فرکانس بالا امکان پذیر است.
مولکول‌های دی اکسید کربن اشکال مختلفی از ارتعاش با سطوح انرژی متفاوت دارند. اگر یک عکس مادون قرمز با مولکول دی اکسید کربن برانگیخته برخورد کند، انرژی به صورت فوتون آزاد می‌شود. این فرآیند انتشار تحریک کننده نامیده می‌شود. اگر مولکول‌های CO2 کافی وجود داشته باشد، تعداد فوتون‌ها به صورت تصاعدی افزایش می‌یابد. برای رسیدن به این هدف، تابش ساطع شده بین دو آینه توسط محیط لیزر به عقب و جلو هدایت می‌شود. یک پرتو لیزر از تعداد زیادی فوتون ایجاد می‌شود که امکان برش دقیق را فراهم می‌کند.
کار لیزر دی اکسید کربن شامل موارد زیر است:
تولید پرتو لیزر
هنگامی که اتم‌های کربن دی اکسید توسط جریان الکتریکی تحریک می‌شود، مولکول‌های نیتروژن در مخلوط گاز برانگیخته می‌شوند، انرژی می‌گیرند و حالت انرژی بالایی به دست می‌آورند. دلیل استفاده از نیتروژن این است که قادر است حالت برانگیخته خود را برای مدت طولانی بدون تخلیه انرژی به صورت نور یا فوتون حفظ کند.
مولکول‌های دی اکسید کربن توسط ارتعاشات پر انرژی نیتروژن برانگیخته می‌شوند. در این مرحله، حالتی به نام وارونگی جمعیت توسط لیزر به دست می‌آید – نقطه‌ای که در آن ذرات برانگیخته بیشتری نسبت به ذرات غیر برانگیخته در یک سیستم وجود دارد. برای تولید یک پرتو نور توسط لیزر، اتم‌های نیتروژن باید حالت برانگیخته خود را با آزاد شدن انرژی به عنوان فوتون از دست بدهند. این زمانی اتفاق می‌افتد که اتم‌های نیتروژن برانگیخته با اتم‌های بسیار سرد هلیوم تماس پیدا می‌کنند که باعث آزاد شدن نور توسط نیتروژن می‌شود.
تحریک مستقیم مولکول‌های دی اکسید کربن را می‌توان در سطح لیزر بالایی انجام داد، اما ثابت شده است که استفاده از انتقال رزونانسی انرژی از مولکول‌های نیتروژن کارآمدتر است. در اینجا، تخلیه الکتریکی، مولکول‌های نیتروژن را به یک سطح ارتعاشی ناپایدار تحریک می‌کند و انرژی برانگیختگی آنها را به مولکول‌های دی اکسید کربن که با آنها برخورد می‌کنند، منتقل می‌کند.
سپس مولکول‌های دی اکسید کربن که برانگیخته شده‌اند، تا حد زیادی در انتقال لیزر شرکت می‌کنند. عملکرد هلیوم این است که هم سطح پایین لیزر را خالی می‌کند و هم گرما را از بین می‌برد. بخار آب و هیدروژن می‌توانند به اکسیداسیون مجدد مونوکسید کربن که در تخلیه به دی اکسید کربن تشکیل می‌شود کمک کنند.
انواع مختلف لیزر CO2
لیزر طولی و متقاطع
یک لیزرCO2 طولی و متقاطع دارای طراحی نسبتاً ساده و توان خروجی بالایی است. با یک پمپ خلاء، یک مخلوط گاز مخصوص به طور مداوم از طریق لوله تخلیه مکیده می‌شود. بخشی از دی اکسید کربن که در مخلوط گاز موجود است، با تخلیه جریان مستقیم به مونوکسید کربن و اکسیژن تجزیه می‌شود. در سیستم لوله چندین پمپ وجود دارد که به طور مداوم مخلوط گاز را به گردش در می‌آورند و از حذف موثر گرمای از دست رفته اطمینان می‌دهند. به دلیل پیچیدگی بالا و تلاش تعمیر و نگهداری، این طرح را فقط در سیستم های صنعتی با چند کیلووات توان خروجی می‌توان یافت.
لیزر کامل
مخلوط گاز توسط یک پمپ در لیزر CO2 بسته جایگزین نمی‌شود. در حالت ایده‌آل، بخار آب، هیدروژن و اکسیژن به مخلوط گاز داده می‌شود. این مخلوط تضمین می‌کند که مونوکسید کربن به طور کاتالیزوری از طریق یک الکترود ساخته شده از پلاتین به دی اکسید کربن بازسازی می‌شود. این طرح به طور قابل توجهی ارزان‌تر است زیرا ساختار جایگزین گاز را فراهم نمی‌کند. هیچ‌گونه پردازش مجدد گاز برای منابع لیزری ارزان قیمت شیشه‌ای وجود ندارد. چنین لوله‌های لیزری بدون توجه به زمان، عملکرد خود را در طول زمان از دست می‌دهند.
لیزر رسانای موج
لیزر رسانای موج با نام لیزر SLAB نیز شناخته می‌شود. دارای یک تشدید کننده مکعبی و دو الکترود به عنوان نردبان موج است. با توجه به نسبت تصویر بالای سطح مقطع، تشدید کننده سطح بزرگی نسبت به حجم دارد. بنابراین گرمای از دست دادن را می‌توان به‌طور موثر حذف کرد.
عملکرد لیزر CO2 چگونه است؟
عملکرد لیزر به پارامترهای مختلفی بستگی دارد:
- اندازه تشدید کننده
- طول موج
- انرژی پمپ.
لیزرهای مختلف دی اکسید کربن وجود دارد. لیزر همچنین تنظیم خدمات مختلف را فعال می‌کند. لیزرهای ضعیف تنها یک خروجی تا 400 وات دارند. از لیزرهای قوی تری برای برش فلزات در صنعت استفاده می‌شود که حداقل توان خروجی 1 تا 6 کیلووات دارند.
لیزر CO2 برای چه مواردی استفاده می‌شود؟
برای اینکه لیزر دی اکسید کربن برای چه چیزی می‌تواند استفاده شود به ناحیه عملکرد بستگی دارد. لیزرهای با توان کم 10 تا 400 وات را می‌توان برش داد، حکاکی و سوراخ کرد مواد آلی نازک مانند چوب، پلاستیک، اکریلیک یا منسوجات استفاده می‌شود.
لیزر CO2 چیست؟
لیزر صنعتی با توان خروجی 1 تا 6 کیلووات نه تنها برای برش، بلکه برای جوشکاری، سخت شدن یا ذوب فلزات نیز قابل استفاده است. در صنعت مدرن از آنها برای برش لیزری بدون اکسید نیز استفاده می‌شود. آنها به ویژه برای اندازه‌های کوچکتر در پردازش ورق فلز مناسب هستند. با این حال، با مقادیر بیشتر، پانچ اقتصادی‌تر است.
می‌توان لیزر CO2 در صنایع مختلف کاربرد دارد از جمله:
- صنعت فرآوری
- پردازش فلز
- مهندسی مکانیک
- صنعت خودرو
- هواپیمایی
- صنعت نساجی
مورد استفاده قرار گیرد. در صنعت نساجی، لیزر برای برش پارچه مناسب است.
چه موادی را می توان با لیزر CO2 ویرایش کرد؟
لیزر دی اکسید کربن بسیاری از مواد را قادر می‌سازد تا پردازش شوند:
- مقوا
- چوب
- منسوجات
- پلاستیک ها
- پلکسی و اکریلیک
- شیشه
- فلز
مزایا و معایب لیزر CO2
مزیت لیزر دی اکسید کربن:
- عملکرد بالا
- توسط مواد شفاف جذب می‌شوند
معایب لیزر دی اکسید کربن:
- طول عمر نسبتا کوتاه
- با استفاده در دمای 15 تا 25 درجه سانتیگراد، طول عمر به طور چشمگیری کاهش می‌یابد
- کاهش عملکرد در طول زمان
- مصرف برق بالا
- مستعد ارتعاش
- سیستم‌های خنک کننده آبی اجازه استفاده در دمای کمتر از 15 درجه سانتیگراد را نمی‌دهند
- تعمیر و نگهداری پیچیده
منابع